BALANCE DE MASA CON REACCIONES QUÍMICAS Estequiometria: Es el cálculo de las cantidades comprometidas en una reacción química, que están definidas en una proporción especifica.
Coeficiente Estequiometrico: Es el cociente entre sus coeficientes estequiométricos en la ecuación balanceada. Ejemplo:
CH4 + 2O2 ---------------- CO2 + 2H2O
Reactivo Límite: Es el que se encuentra en menor cantidad
Reactivo en Exceso: Es el reactivo que se encuentra en mayor cantidad.
Grado de Conversión (F): Es la relación entre la cantidad del reactivo límite que reacciona y la cantidad de reactivo límite agregado. F: Reactivo límite que reacciona / Reactivo límite agregado
Fracción en exceso: Moles del reactivo en exceso – Proporción Estequiométrica / Proporción Estequiométrica
Grado de avance de una reacción (є)
ni = ni,o + Bi є
Donde: Bi= Vi Si Ai es un producto Bi= -Vi Si Ai es un reactivo Bi = 0 SI Ai es un inerte. Vi = Coeficiente estequiométrico de alguna especie.
EJEMPLO:
El acetonitrilo se produce con la reacción del propileno con amoniaco y oxígeno
La alimentación contiene el 10% en mol de propileno, 12% mol de amoníaco y 78% en mol de aire. Se alcanza una conversión fraccionaria del 30% de reactivo limitante. Calcular: El porcentaje en exceso de los otros reactivos y las velocidades de flujo molares de todos los productos gaseosos para la conversión del 30% de reactivo limitante, tomando como base de alimentación 100 moles.
Reactivo Limitante
n NH3 / n C3H6 = 12 / 10 = 1,2 NH3 están en exceso
30% = n C3H6, consumidas / n C3H6 alimentada n C3H6consumidas = 30% * 10 = 3 mol C3H6 alimentada = є
n C3H6 = n C3H6, o – 1 є ----------- 7 = 10 – є ------------ є = 3 moles C3H6
n NH3 = n NH3,o – є ------------------nNH3 = 12 – 3 --------- nNH3 = 9 molesNH3
n O2 = n O2,o – 1,5є ------------------n O2 = 16,38 – 1,5*3 ---------
n O2 = 11,88 mol O2
n C3H3N= n C3H3N , o +є ------------------n C3H3N = 3 mol C3H3N
n C3H3N,o = O
nH2O= n H2O , o + 3 є ------------------n H2O = 9 mol H2O
n H2O,o = O
SEPARACIÓN DE PRODUCTOS Y RECIRCULACIÓN
Conversión global: Entrada al reactivo al proceso – salida productos del proceso / entrada al reactivo al proceso Conversión en una sola etapa: Entrada reactivo al reactor – salida productos al reactor / entrada reactivo al reactor Conversión global de A: 80-0/80*100 = 100% Conversión una etapa A: 110-30 / 110 * 100 = 72.73%
AIRE TEÓRICO Y AIRE EN EXCESO Oxígeno teórico: Son moles o velocidad de flujo molar de O2 que se necesitan para efectuar la combustión completa de combustible en una caldera o reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el hidrógeno se oxida para formar H2O. Aire Teórico: Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico. Aire en exceso: Es la cantidad en exceso del aire que alimenta al reactor con respecto al aire teórico. Porcentaje de aire en exceso: %aire en exceso = naire alimentado – naire teórico / naire teórico *100
Ejemplo: Reacciona hexano con oxígeno para dar CO2 y H2O.
1. Plantear la reacción de combustión de hexano
2. Estimar las moles de O2 teórico que se requieren para quemar completamente 1000kg de hexano.
Estequiometria: Es el cálculo de las cantidades comprometidas en una reacción química, que están definidas en una proporción especifica.
Coeficiente Estequiometrico: Es el cociente entre sus coeficientes estequiométricos en la ecuación balanceada. Ejemplo:
CH4 + 2O2 ---------------- CO2 + 2H2O
Reactivo Límite: Es el que se encuentra en menor cantidad
Reactivo en Exceso: Es el reactivo que se encuentra en mayor cantidad.
Grado de Conversión (F): Es la relación entre la cantidad del reactivo límite que reacciona y la cantidad de reactivo límite agregado.
F: Reactivo límite que reacciona / Reactivo límite agregado
Fracción en exceso: Moles del reactivo en exceso – Proporción Estequiométrica /
Proporción Estequiométrica
Grado de avance de una reacción (є)
ni = ni,o + Bi є
Donde:
Bi= Vi Si Ai es un producto
Bi= -Vi Si Ai es un reactivo
Bi = 0 SI Ai es un inerte.
Vi = Coeficiente estequiométrico de alguna especie.
EJEMPLO:
El acetonitrilo se produce con la reacción del propileno con amoniaco y oxígeno
C3H6 + NH3 +3/2 O2 -------------------- C3H3N + 3H2O
La alimentación contiene el 10% en mol de propileno, 12% mol de amoníaco y 78% en mol de aire. Se alcanza una conversión fraccionaria del 30% de reactivo limitante. Calcular: El porcentaje en exceso de los otros reactivos y las velocidades de flujo molares de todos los productos gaseosos para la conversión del 30% de reactivo limitante, tomando como base de alimentación 100 moles.
Reactivo Limitante
n NH3 / n C3H6 = 12 / 10 = 1,2 NH3 están en exceso
nCH3 / n C3H6 = 1 / 1 = 1
nO2 = naire * 0.21/1mol aire / n C3H6 = 16,38 / 10 = 1,64
n O2 / n C3H6 = 1,5 / 1 = 1,5 O2que está en exceso
Ahora hallaremos las moles de cada reactivo
C3H6 + NH3 +3/2 O2 ----------------- C3H3N + 3H2O PM = peso molecular
PM 42 17 48 53 54
- n C3H6 = 12 mol NH3 * 42 mol C3H6 / 17 mol NH3
n C3H6 = 29,65 mol C3H6- n NH3 = 10 mol C3H6 * 17 mol NH3 / 42 mol C3H6
n NH3 = 4,05 mol NH3- n O2 = 10 mol C3H6 * 48 mol O2 / 42 mol C3H6
n O2 = 11,43 mol O2FRACCIÓN EN EXCESO
Moles en exceso: NH3 y O2
% en exceso= n O2 - n proporción Estequiométrica / n proporción Estequiométrica
%exceso NH3 = 12 – 10 / 10 *100 = 20%
%exceso O2 = 16,38 – 15 / 15 *100 = 9,2%
GRADO DE AVANCE
ni = ni,o + Bi є
30% = n C3H6, consumidas / n C3H6 alimentada
n C3H6consumidas = 30% * 10 = 3 mol C3H6 alimentada = є
- n O2 = n O2,o – 1,5є ------------------n O2 = 16,38 – 1,5*3 ---------
n O2 = 11,88 mol O2- n C3H3N= n C3H3N , o +є ------------------n C3H3N = 3 mol C3H3N
n C3H3N,o = O- nH2O= n H2O , o + 3 є ------------------n H2O = 9 mol H2O
n H2O,o = OSEPARACIÓN DE PRODUCTOS Y RECIRCULACIÓN
Conversión global: Entrada al reactivo al proceso – salida productos del proceso / entrada al reactivo al proceso
Conversión en una sola etapa: Entrada reactivo al reactor – salida productos al reactor / entrada reactivo al reactor
Conversión global de A: 80-0/80*100 = 100%
Conversión una etapa A: 110-30 / 110 * 100 = 72.73%
AIRE TEÓRICO Y AIRE EN EXCESO
Oxígeno teórico: Son moles o velocidad de flujo molar de O2 que se necesitan para efectuar la combustión completa de combustible en una caldera o reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el hidrógeno se oxida para formar H2O.
Aire Teórico: Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico.
Aire en exceso: Es la cantidad en exceso del aire que alimenta al reactor con respecto al aire teórico.
Porcentaje de aire en exceso:
%aire en exceso = naire alimentado – naire teórico / naire teórico *100
Ejemplo:
Reacciona hexano con oxígeno para dar CO2 y H2O.
Solución
- 2. 1000kg C6H14 *1kg-mol C6H14 / 86.11kg C6H14 * 9.5kg-molO2 / 1kg-mol C6H14
= 110.32kg –mol O2%en exceso = 700kg-mol – 525.33kg-molaire / 525.33kg-mol aire *100
%en exceso = 33.25%